گرافن چیست؟

گرافن نام یکی از آلوتروپ‌های کربن است. در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ‌های کربن)، هر کدام از اتم‌های چهارظرفیتی  کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه‌ی گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه، خود بر روی لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده‌است. اما پیوند الکترون چهارم از نوع پیوند واندروالسی است که پیوند ضعیفی است. به همین دلیل لایه‌های گرافیت به راحتی بر روی هم سرمی‌خورند و می‌تواند در نوک مداد به‌کار بروند. گرافن ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده‌است.

اصطلاح گرافن اولین بار در سال 1962 میلادی توسط هانس-پیتر بوئن[1] معرفی شد. وی کسی بود بود که قصد داشت که از این اصطلاح جهت توصیف فویل کربن تک لایه استفاده کند. بسیاری از دانشمندان تصور می‌کردند که صفحه کربن در این ضخامت اندک و برابر با قطر یک اتم کربن، نمی‌تواند پایدار باشد و سال‌های بسیاری  پس از آن تحقیقات متوقف مانده ‌بود تا جایی که در سال 2004 دو دانشمند به نام‌های کنستانتین نووسلوف و آندره جیم نخستین بار به طرز موفقیت‌آمیزی صفحات گرافن را با استفاده از نورا چسب جدا کردند. نوار پیوسته مکرراً استفاده شد تا گرافیت را به تکه‌های نازک‌تری جدا کند. سپس نوار با تکه‌های گرافیت مجزا در استون حل شد و بعد از چند فرایند، تکه‌های شامل تک لایه روی یک قرص سیلیکونی رسوب داده شد. گفتنی است که جهت کنترل مراحل مذکور از یک میکروسکوپ نوری استفاده شده‌است. این روش به نوار اسکاچ معروف گشته‌است.

[1] Hanns-Peter Boehn

روش مذکور روش شگفتی بود و به همین علت جیم و نووسلوف و همکارانشان از دانشگاه منچستر جایزه نوبل فیزیک سال 2010 را از آن خود نمودند.

اگرچه گرافنی که از این روش تولید میشد به دلیل مشکلات تولیدی بسیار گران تهیه می‌گردید، ولی امروز با گذشت زمان و توسعه‌ی روش‌های نوین، فرایند پرک‌سازی گرافن با روش‌های خیلی ارزان‌تر تولید می‌گردد.

گرافن بدلیل داشتن ساختار پیوند دوبعدی SP² خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی فوق‌العاده‌ای نسبت به نانومواد کربنی دیگر دارد. به عبارتی، مساحت سطح بالای گرافن m²/g.layer  2600 ، رسانایی گرمایی W/mK 3000 ، توانایی حمل بار بالا cm²/V.S 10000 و استحکام مکانیکی  TPA 1 باعث جلب نظر در زمینه‌های کاربردی مختلفی مانند سلول خورشیدی، فوتونیک، ذخیره انرژی، ترانزیستورها و نانوالکترونیک شده است و آن را تبدیل به کاندید مناسب جهت ساخت ابزارهای الکترونیکی کرده است.

 از جمله کاربردهای گرافن را می‌توان بصورت زیر نام برد:

• استفاده بجای الیاف کربن در کامپوزیت‌ها که باعث ایجاد هواپیماها و ماهواره‌های سبک می‌گردد
• استفاده بجای سیلیکون‌های نیمه رسانا در ترانزیستورها
• جاساز کردن گرافن در پلاستیک که می‌تواند پلاستیک مذکور را رسانا کند
• امکان بالا بردن دوام باتری‌ها با استفاده از غبار گرافنی
• کاربرد در الکترونیک نوری
• ایجاد پلاستیک‌هایی سخت‌تر، مستحکم‌تر و سبک‌تر
• کاربرد به‌عنوان پوشش شفاف رسانا برای سلول‌های خورشیدی و نمایشگرها
• ایجاد توربین‌های بادی کارآمدتر
• ایجاد ایمپلنت‌های مستحکم‌تر (پزشکی)
• کاربرد در تجهیزات ورزشی
• ایجاد ابرخازن‌ها
• کاربرد برای پیشرفت در صفحات لمسی
• کاربرد در LCD و OLED ها